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Origine des propriétés piézoélectriques à l'échelle atomique – PIEZOCRIST

Résumé de soumission

L'emploi de matériaux piézoélectriques est largement répandu dans des applications technologiques. Bien que l'effet piézoélectrique soit bien compris en tant que phénomène physique macroscopique, une description détaillée des mécanismes à l'échelle atomiques reste manquante. L'objectif de ce projet est d'acquérir une compréhension approfondie des mécanismes microscopiques responsables des propriétés piézoélectriques afin d'améliorer, voire de concevoir de nouveau matériaux à propriétés optimisées. Dans un tel contexte, la collaboration entre des personnes ayant des compétences très complémentaires en instrumentation, dans les domaines expérimentaux et théoriques, est l'un des atouts majeurs de ce projet. - Dans un premier temps, nous concentrerons nos efforts sur les matériaux dérivés du quartz alpha. Le quartz alpha est aujourd'hui l'un des matériaux piézoélectriques des plus utilisés. Cependant, ces performances sont très limitées pour certains types d'applications en microélectroniques (ex. : filtres en fréquences, résonateurs...) qui demandent un fonctionnement à haute fréquence et impliquant ainsi une miniaturisation. Les performances du quartz alpha sont également limitées pour des applications à haute température telles que capteurs de température. Des relations « structure-propriétés » ont cependant été mises en évidence dans les dérivés du quartz alpha afin d'identifier de nouveaux matériaux ayant de meilleurs propriétés intrinsèques : un matériau très distordu montre également une meilleure stabilité thermique. De tels matériaux apparaissent ainsi comme les plus prometteurs au regard des applications potentielles. De tels matériaux comprennent GaPO4 qui est déjà utilisé pour certaines applications à haute température, GeO2, GaAsO4 et vraisemblablement FePO4. Des solutions solides entre composés dérivés du quartz alpha sont aussi d'un grand intérêt puisque leur structure, et donc leurs propriétés, pourraient être ajustées en fonction de la composition chimique. - La diffraction/diffusion des rayons X et des neutrons apparaissent comme des techniques uniques pour l'étude des propriétés structurales des cristaux. Des expériences de diffraction réalisées alors q'un champ électrique est appliqué in-situ sur le cristal sont particulièrement pertinentes pour déterminer la réponse structurale induite à l'échelle atomique. Plusieurs expériences ont d'ailleurs déjà démontré l'utilité d'une telle approche. Cependant, la durée d'une telle expérience est actuellement un facteur limitatif qui empêche une détermination de la réponse induite sans l'introduction de nombreuses simplifications. Une part important de ce projet sera donc consacré à la rénovation complète de l'approche expérimentale en s'appuyant sur les récents progrès observés dans la technologie des détecteurs de rayons X. L'utilisation de tels détecteurs autorise la mesure d'un grand nombre de réflexions de Bragg et donc l'utilisation de méthodes plus usuelles pour déterminer et affiner les variations structurales induites par le champ. Des calculs théoriques des propriétés piézoélectriques, en particulier de la valeur de la polarisation induite, seront réalisés et confrontés aux résultats expérimentaux. Cette approche théorique permettra également une amélioration des modèles qui pourront ainsi être mieux utilisés comme des outils prédictifs. - D'autre part, nous étudierons également l'influence du désordre structural dans la dégradation voire la suppression des propriétés piézoélectriques (i.e. stabilité thermique) : la diffraction totale des neutrons sera l'outil privilégié. - Dans la dernière période du projet, nous étendrons l'approche expérimentale à des matériaux de structure plus complexe que les dérivés du quartz alpha, mais également très pertinent pour des applications technologiques : les composés moléculaires. - ...

Coordination du projet

Claude LECOMTE (Université)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

Aide de l'ANR 400 000 euros
Début et durée du projet scientifique : - 48 Mois

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